Arquitectura del PLC

Dpto. Electrónica, Automática e Informática Industrial)www.elai.upm.es

Bibliografía

Introducción (I)

El PLC recibe, en tiempo real, la información de los sensores

conectados al proceso y ejecuta un programa para determinar

las acciones de control.

Un PLC es un automatismo programable de eventos síncronos

en el que las relaciones de control entre sensores y

actuadores se puede modelar por una máquina de estados.

Parte operativa

(proceso)Parte de Mando

(PLC)

Potencia Accionadores

Transductores

Supervisión

3

Introducción (II)

Sustitución de la lógica cableada por programada

Flexibilidad, fiabilidad y complejidad.

Estructura modular (adaptación al tipo de procesos).

Diferencias entre PLC y PC

Fiabilidad → sistemas operativos simples

Emulación de esquema de contactos (actividades concurrentes)

Lectura de Entradas + Ejecución de programa + Escritura de Salidas

4Fuente: http://images.slideplayer.es/2/157373/slides/slide_3.jpg

ARQUITECTURA HW (I)

CPU (Central Processing Unit)

Memorias

Periferia integrada: dispositivos conectados al bus interno de la CPU

Periferia distribuida: dispositivos que requieren interfaz de comunicaciones (con uP)

En

tra

da

s

Sa

lida

s

Fuente de

alimentación

CPU

Interfaces

Captadores Actuadores

Unidad de

programación

M

Periféricos

externos

5

E/S digitales y analógicas

E/S especiales

Unidad de programación

ARQUITECTURA HW (IIA)

UNIDAD DE

CONTROL (µp)

MEMORIA

PROGRAMA

MONITOR

(S. O.)

MEMORIA

PROGRAMA

DE CONTROL

PROCESADORES

DE

COMUNICACIONES

(C.P.)

MEMORIA

IMAGEN

ENTRADAS

MEMORIA

DATOS

PERIFERIA

DISTRIBUIDA

MÓDULO

DE

ENTRADAS

DIGITALES

MEMORIA

IMAGEN

SALIDAS

MÓDULO

DE

SALIDAS

DIGITALES

MEMORIA

IMAGEN E/S

MÓDULO DE E/S

ANALÓGICAS

MÓDULO DE E/S

ESPECIALES

MEMORIA DE PROGRAMA

M

6

ARQUITECTURA HW (IIB)

E/S digitales y analógica (CAD y CDA)

Periferia integrada & distribuida

E/S especiales

Con μP propio

Controladores de motores, lectura de galgas, termopares,…

Módulos de comunicaciones

Su propio μP e interacciona a través de una interfaz de comunicaciones (periferia distribuida)

Unidad de programación

Pantallas táctiles, HMI,

SCADA

Periferia distribuida para el sistema de supervisión y adquisición de datos

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ARQUITECTURA HW (III)

Utilidades de las

memorias

Programa

monitor

Programa usuario

Datos

Imágenes E/S

Variables

internas

Constantes

TEMPOR.

CONTADORESCPU

IMAGEN

E/S

Interfaz

Salidas

Interfaz

entradas

ALU

PROGRAMA USUARIO

Fuente

AlimentaciónBatería

o

EEPROM

DATOS

TEMPORALES

MARCAS

Reg. Estado

Acumuladores

Reg. Direcciones

PROGRAMA MONITOR

Reg. de pila

Contador de

programa

DATOS

CONSTANTES

8

ARQUITECTURA HW (IV): CPU S7-300 313C

CPU (Unidad de Control de Procesamiento) → μP ALU (Unidad Lógica Aritmética) +

Unidad de control (Registros de estado + acumuladores + pilas (memorias)).

Memorias ROM +EEPROM (programa monitor o

S.O, programa de usuario) RAM (marcas, temporizadores,

contadores)

Buses

9

ARQUITECTURA HW (V): CPU S7-300 313C

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ARQUITECTURA SW(I)

Estados operativos de un PLC

RUN: ejecuta el programa del usuario de manera cíclica

Lectura de Entradas + Programa + Escritura de salidas

STOP: Se detiene por orden del usuario

Las salidas a 0 y se conservan las marcas, temporizadores,… (RAM)

ERROR: Se detiene por el PLC y registra el tipo de error

Las salidas a 0 y el PLC recupera su estado desde la unidad de programación.

DESCONEXIÓN: Falta de alimentación, se pierde la información volátil (RAM).

11

ARQUITECTURA SW (II)

De STOP a RUN se denomina ARRANQUE:

Tipos de arranque

A) Frio: viene de estar apagado

B) Caliente: viene de STOP

STOP se utiliza para el mantenimiento

Preserva la información

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CICLO DE FUNCIONAMIENTO

PLC emula el comportamiento de

los contactores

Contactores funcionan en paralelo

PLC es un sistema secuencial

síncrono

Las E/S quedan sincronizadas y evaluadas

a la vez

Lectura de Entradas + Programa +

Escritura de salidas

Arranque

Lectura Entradas

Programa de usuario

Escritura Salidas

Tiem

po

de

cicl

o

Lectura de módulos deentradas y copia aimagen en memoria

Escritura de imagen desalidas en módulos desalida

13

CICLO DE FUNCIONAMIENTO

Concepto de memoria imagen

Ventana temporal de sincronización

Para el PLC, el mundo exterior sólo

cambia de ciclo a ciclo.

Eficiencia en la consulta de las E/S

La CPU no hace consulta por

interrupción en cada E/S

Arranque

Lectura Entradas

Programa de usuario

Escritura Salidas

Tiem

po

de

cicl

o

Lectura de módulos deentradas y copia aimagen en memoria

Escritura de imagen desalidas en módulos desalida

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CICLO DE FUNCIONAMIENTO

E32 A32

PAE

0000 0001

PAA

0000 0001

U E32.0

= A32.0

Arranque

Lectura Entradas

Programa de usuario

Escritura Salidas

Tiem

po

de

cicl

o

Lectura de módulos deentradas y copia aimagen en memoria

Escritura de imagen desalidas en módulos desalida

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CICLO DE FUNCIONAMIENTO

De STOP a RUN

Verificación del HW y SW

Salidas a 0

Borrado de la memoria no remanente

Si todo ok pasa a ciclo

Test y disparar ‘perro guardián’

Pasa a Error si hay superación de

tiempo

Actualización de la imagen proceso

Más rápido con periferia integrada

Ejecución del programa

Consulta a los periféricos

Si requiere más tiempo interrumpe la

comunicación hasta siguiente ciclo

Paso a modo

RUN

Test HW

(<1s)

Borrado de memoria no remanente

Redisparo del watch dog,

comprobación de memoria de

programa y errores HW (1ms)

Lectura de

Entradas (<5ms)

Escritura de

Salidas (<5ms)

Ejecución de

programa de usuario

Atender a periféricos (PC)

(<2ms)

Ciclo principal

( watch dog 0,1-0,5s)

16

CICLO DE FUNCIONAMIENTO

El tiempo de ciclo depende de

Tamaño del programa del usuario.

Velocidad de la CPU.

Tiempo consumido en el

autodiagnóstico

Tiempo de actualización de las E/S

que dependerá del número de ellas

Tiempo de comunicaciones con

módulos periféricos.

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Paso a modo

RUN

Test HW

(<1s)

Borrado de memoria no remanente

Redisparo del watch dog,

comprobación de memoria de

programa y errores HW (1ms)

Lectura de

Entradas (<5ms)

Escritura de

Salidas (<5ms)

Ejecución de

programa de usuario

Atender a periféricos (PC)

(<2ms)

Ciclo principal

( watch dog 0,1-0,5s)

Interrupciones del ciclo principal

Algunos procesos deben realizar operaciones más rápido que lo previsto en un ciclo.

Interrupciones al programa del usuario

Tipo de interrupciones: Externas: periferia integrada o distribuida.

Interna: reloj de la CPU.

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EJEMPLOS DE PLCs

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Manejar la complejidad

Objetos simples distribuidos que dan servicios

Implementación en los procesos productivos:

Comunicaciones entre objetos.

CIM (Computer integrated manufacturing)

TIA (Totally Integrated Manufacturing)

Periferia distribuida

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Tres niveles Nivel de campo

Dispositivos inteligentes conectados al PLC mediante redes digitales, bidireccioneales y multipunto, montados sobre un bus serie (PROFIBUS, AS-Interface,…)

Sustitución de las conexiones punto a punto ( 4÷20mA, 0-10V,…)

Nivel de control Comunicaciones entre PLCs, máquinas

herramientas, robots,…

Ethernet industrial (PROFIBUS)

Nivel de servicio Consignas y monitorización

Pantallas táctiles (pueden ser configuradas y simuladas mediante SW, WinCC)

Paneles con computador industrial embebido: monitorización en tiempo real con funciones de supervisión (SCADA)

PIRÁMIDE CIM

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Conexionado PLC con la periferia distribuida

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INTERFACES

Panel OP7/PP TP programado con WinCC flexible

Modelo TP170A MP SIMATIC Multi Panel MP 377 PRO 15''

• Desde procesos sencillos sin interfaz hasta la supervisión en tiempo real

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